Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nước trong hệ thống mức nước bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƯU VĂN SỞ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa THÁI NGUYÊN – 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LƯU VĂN SỞ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 605201216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. TRẦN XUÂN MINH THÁI NGUYÊN – NĂM 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Lưu Văn Sở Sinh ngày: 10 tháng 01 năm 1978 Học viên lớp cao học Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - khoá 15 - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Hà Giang - Thành Phố Hà Giang - Tỉnh Hà Giang. Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác. Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Lưu Văn Sở ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã động viên, giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn của mình. Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện, bộ môn Điều khiển tự động hóa của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy TS. Trần Xuân Minh, người đã luôn ân cần hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt thời gian làm luận văn giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Trần Xuân Minh, các thầy, cô giáo trong khoa Điện, bộ môn Điều khiển tự động – Trường Đại học đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập tại trường. Do thời gian, cũng như kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên luận văn này chắc chắn không tránh khỏi tài những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này. Học viên Lưu Văn Sở iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt vi Danh mục các bảng biểu viii Danh mục các hình vẽ và đồ thị ix MỞ ĐẦU 1 NỘI DUNG 3 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 3 1.1 Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu 3 1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện 3 1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện 4 1. 2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện 6 1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi 6 1.2.2. Cấu tạo của lò hơi 6 1.2.3. Các loại lò hơi chính 8 1.2.4. Hệ thống điều khiển lò hơi 11 1.2.4.1. Lò hơi là một đối tượng điều khiển 11 1.2.4.2. Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi 12 1.3. Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện 14 1.3.1. Đặt vấn đề 14 1.3.2. Hệ điều khiển bao hơi 15 1.3.3. Mục tiêu nghiên cứu 17 1.4. Kết luận chương 1 18 iv Chương 2. MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 19 2.1. Đặt bài toán 19 2.2. Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện 21 2.2.1. Cấu trúc mô hình nhà máy nhiệt điện 21 2.2.2. Cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao hơi 22 2.2.3. Hàm truyền các thành phần của hệ thống 22 2.2.3.1. Thiết bị đo 22 2.2.3.2. Thiết bị chấp hành 26 2.2.3.3. Bình bao hơi 31 2.3. Hàm truyền của hệ thống 37 2.4. Kết luận: 37 Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI 39 3.1. Tổng quan bộ điều khiển PID 39 3.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) 40 3.1.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols 40 3.1.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 41 3.1.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn. 42 3.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số 42 3.1.2.1. Nguyên tắc thiết kế 43 3.1.2.2. Phương pháp tối ưu modul 43 3.1.2.3. Phương pháp tối ưu đối xứng 44 3.2. Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao hơi 45 3.3. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink 47 3.3.1. Sơ đồ mô phỏng bằng matlab – Simulink 47 3.3.2. Các kết quả mô phỏng 47 3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm 48 v 3.4.1. Mô hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm 48 3.4.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm 50 3.4.3. Các kết quả thực nghiệm 55 3.4.4. So sánh với kết quả mô phỏng 56 3.5. Kết luận chương 3 56 Chương 4. ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 57 4.1. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ 57 4.1.1. Mờ hóa 57 4.1.2. Giải mờ 58 4.1.3. Khối luật mờ và khối hợp thành 59 4.1.3.1. Các bước xây dựng luật hợp thành khi có nhiều điều kiện 60 4.1.3.2. Thuật toán xây dựng luật hợp thành của nhiều mệnh đề hợp thành 61 4.1.4. Bộ điều khiển mờ 62 4.1.4.1. Bộ điều khiển mờ động 62 4.1.4.2. Bộ điều khiển thích nghi 63 4.1.4.3. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 64 4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 64 4.2.1. Phương pháp thiết kế 64 4.2.2. Nhận xét 69 4.3. Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink 69 4.3.1. Sơ đồ mô phỏng 69 4.3.2. Kết quả mô phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 70 4.3.3. Nhận xét 71 4.4. Kết luận chương 4 71 Kết luận và kiến nghị 73 Tài liệu tham khảo 74 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 CO Tín hiệu điều khiển 2 MV Biến điều khiển 3 CV Biến được điều khiển 4 PM Tín hiệu đo 5 W H Hàm truyền đạt 6 K Hệ số khuếch đại đầu ra 7 k I ,  Các hệ số khuếch đại đầu vào 8 SISO Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra 9 MIMO Tín hiệu có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. 10 SIMO Tín hiệu có một đầu vào và nhiều đầu ra. 11 MISO Tín hiệu có nhiều đầu vào và một đầu ra. vii Các chữ viết tắt STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 12 QTCN Mức nước cấp bình bao hơi 13 FC fail-closed - van đóng an toàn 14 AO air-to-open - van đóng an toàn 15 FO fail-open - van mở an toàn 16 AC air-to-close - van mở an toàn 17 PID Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân 18 FLC Điều khiển logic mờ 19 FMRAFC Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng 20 Measurementdevice Thiết bị đo 21 Sensor Cảm biến 22 Sensor element Phần tử cảm biến, đầu đo 23 Signal conditioning Điều hoà tín hiệu 24 Transmitter Bộ chuyển đổi đo chuẩn 25 Transducer Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu Nội dung bảng biểu Trang Bảng 1.1 Quá trình sinh hơi 7 Bảng 1.2 Cấu tạo các bộ phận chính của lò hơi có bao hơi đốt phun 9 Bảng 3.1 Danh mục các thiết bị mô hình thực nghiệm 51 Bảng 4.1 Luật chỉnh định K p 67 Bảng 4.2 Luật chỉnh định K D 68 Bảng 4.3 Luật chỉnh định  68 [...]... cho đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi mô hình nhà máy nhiệt điện Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định mức nước cấp bình bao hơi Chương 4 Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển mức nước bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Kết luận và kiến nghị 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 Tổng quan chung... thuật điều khiển hiện đại để cải thiện chất lượng Tuy nhiên do thời gian có hạn và hạn chế về kiến thức cũng như về thiết bị thí nghiệm nên em chỉ có thể quan tâm đến một phần của hệ thống điều khiển mức nước bao hơi Xuất phát từ thực tiễn đó nên em đã chọn đề tài: Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nước trong hệ thống mức nước bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển. .. Bên trong bộ điều chỉnh mờ 66 Hình 4.12 Tập mờ e và e’ 67 Hình 4.13 Tập mờ  67 xi Hình 4.14 Tập mờ Kp và KD 67 Hình 4.15 Cấu trúc chỉnh đỉnh mờ tham số PID 68 Hình 4.16 Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với bộ điều khiern PID và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 69 Hình 4.17 Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với cấu trúc bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 70 Hình 4.18 Đáp ứng mức. .. Thực hiện việc mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng bộ điều khiển được thiết kế - Đề xuất phương án cải thiện chất lượng điều khiển mức nước bình bao hơi của hệ thống mức nước bao hơi bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 2 3 Nội dung của luận văn Với các mục tiêu đã đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: Chương 1 Tổng quan về điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện... lượng bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 2 Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tổng quan về điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện - Mô tả toán học cho đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi mô hình nhà máy nhiệt điện - Thiết kế được bộ điều chỉnh PID ứng dụng vào điều khiển và ổn định mức nước của hệ thống mức nước bao hơi của mô hình lò... cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 62 Hình 4.5 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) 63 Hình 4.6 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) 63 Hình 4.7 Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 63 Hình 4.8 Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 64 Hình 4.9 Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển 64 Hình 4.10 Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 65 Hình... ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải được cấu thành từ một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau gồm: - Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi - Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt - Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy - Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi - Hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi 1.3.2 Hệ điều khiển bao hơi Hơi nước chính là đối tượng mang nhiệt năng, hơi được dẫn đến tuabin để. .. phát triển nghiên cứu Vì vậy đề tài tập trung vào việc nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID và triển khai thí nghiệm sau đó đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định mức nước cấp bao hơi và kiểm chứng bằng mô phỏng Matlab/Simulink 1.4 Kết luận chương 1 Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau: - Tổng quan được những nét cơ... đồ hệ thống điều khiển Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện Cấu trúc mô phỏng điều khiển mức nước cấp bao hơi Đáp ứng của hệ thống với mức nước 70% 40 42 45 46 47 47 Hình 3.9 Đáp ứng của hệ thống với mức nước nhảy cấp từ 70% lên 90% Cấu trúc thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bình bao hơi 48 Hình 3.10 Bình cấp nước trong thí nghiệm điều khiển mức nước bao. .. lưu lượng và áp suất hơi quá nhiệt trước khi vào tuabin là các thông số quan trọng của hệ thống điều khiển hơi Việc tối ưu hoá các giá trị này như một giải pháp nâng cao hiệu suất của nhà máy và chất lượng điện phát ra Hệ thống điều khiển hơi có hai hệ điều khiển được phân ly: hệ điều khiển nhiệt độ và hệ điều khiển áp suất – lưu lượng Hệ điều khiển áp suất và lưu lượng hơi: Đại lượng yêu cầu điều khiển . THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID . điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nước trong hệ thống mức nước bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. 2. Mục tiêu nghiên. mức nước bao hơi với bộ điều khiern PID và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 69 Hình 4.17 Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với cấu trúc bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển